priborИзвестия высших учебных заведений. ПриборостроениеJournal of Instrument Engineering0021-34542500-0381Национальный исследовательский университет ИТМО10.17586/0021-3454-2023-66-7-539-558pribor-132Research ArticleСИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ И ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИSYSTEM ANALYSIS, MANAGEMENT AND INFORMATION PROCESSINGКонтроль самодвойственных устройств с применением схем сжатия на основе полных сумматоровControl of self-dual devices using compression circuits based on full addersЕфановД. В.EfanovD. V.

Дмитрий Викторович Ефанов - д-р техн. наук, профессор; кафедра автоматики, телемеханики и связи на железнодорожном транспорте; Высшая школа транспорта Института машиностроения, материалов и транспорта; профессор

Москва

Санкт-Петербург

Dmitry V. Efanov — Dr. Sci., Professor; Department of Automation, Remote Control, and Communications on Railway Transport; Higher School of Transport, Institute of Mechanical Engineering, Materials, and Transport, Professor

Moscow

St. Petersburg 

TrES-4b@yandex.ruПогодинаТ. С.PogodinaT. S.

Татьяна Сергеевна Погодина - студентка; кафедра автоматики, телемеханики и связи на железнодорожном транспорте Института транспортной техники и систем управления

Москва

Tatiana S. Pogodina — Student; , Department of Automation, Remote Control, and Communications on Railway Transport

Moscow

pogodina-ts@mail.ruРоссийский университет транспорта; Санкт-Петербургский политехнический университет Петра ВеликогоRussian University of Transport; Peter the Great St. Petersburg Polytechnic UniversityРоссийский университет транспортаRussian University of Transport202327112024667539558Copyright © Национальный исследовательский университет ИТМО, 20242024Национальный исследовательский университет ИТМОНациональный исследовательский университет ИТМОhttps://pribor.ifmo.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://pribor.ifmo.ru/jour/article/view/132

Рассматривается задача организации контроля вычислений по диагностическому признаку, характеризующему принадлежность функций, вычисляемых объектом диагностирования, к классу самодвойственных булевых функций. Описана структура самодвойственного устройства с контролем каждого выхода в отдельности. Предложена структура организации схемы встроенного контроля с применением специальной схемы сжатия сигналов. Такая структура позволяет уменьшить число наблюдаемых выходов и сократить тем самым число элементов в структуре схемы встроенного контроля (СВК). В качестве устройств сжатия сигналов предложено использовать типовые схемы полных сумматоров, которые являются самодвойственными цифровыми устройствами. Показано, что такой подход к организации СВК позволяет сократить примерно на 8—9 % показатели сложности ее технической реализации по сравнению с контролем вычислений на каждом выходе объекта диагностирования. Приведены формулы оценки сложности реализации СВК для каждого способа ее организации. Сформированы алгоритмы синтеза СВК с применением схем сжатия сигналов. Приведены результаты моделирования самодвойственных структур с использованием рассматриваемых способов в среде моделирования Multisim. Представленные результаты позволяют на практике синтезировать самопроверяемые цифровые устройства и вычислительные системы.  

The problem of organizing the control of calculations by a diagnostic parameter characterizing the belonging of the functions calculated by the object of diagnosis to the class of self-dual Boolean functions is considered. The structure of a self-dual device with control of each output separately is described. A structure is proposed for a builtin control circuit using a special signal compression scheme. Such a structure makes it possible to reduce the number of observed outputs and thereby reduce the number of elements in the structure of the built-in control circuit (ICS). Standard circuits of full adders, which are self-dual digital devices, are supposed to be used as signal compression devices. It is shown that such an approach to the ICS organization makes it possible to reduce the complexity of its technical implementation by approximately 8–9% compared to the control of calculations at each output of the diagnostic object. Formulas for estimating the complexity of the implementation of the ICS for each method of its organization are given. Algorithms for the synthesis of ICS with the use of signal compression schemes are formulated. The data obtained by modeling self-dual structures using the considered methods in the Multisim modeling environment are demonstrated. The presented results enable practical synthesis of self-checking digital devices and computing systems. 

самопроверяемые цифровые устройстваобнаружение ошибок в цифровых устройствахсхема встроенного контроляконтроль самодвойственности сигналовсамодвойственные устройстваполный сумматорself-checking digital deviceserror-detecting in digital devicesbuilt-in error-detection circuitchecking self-duality of signalsself-dual devicesfull-adderReferencesFujiwara E. Code Design for Dependable Systems: Theory and Practical Applications. John Wiley & Sons, 2006. 720 p.Fujiwara E. Code Design for Dependable Systems: Theory and Practical Applications, John Wiley & Sons, 2006, 720 p.Ubar R., Raik J., Vierhaus H.-T. Design and Test Technology for Dependable Systems-on-Chip (Premier Reference Source): Information Science Reference. Hershey — N. Y.: IGI Global, 2011. 578 p.Ubar R., Raik J., Vierhaus H.-T. Design and Test Technology for Dependable Systems-on-Chip (Premier Reference Source), Information Science Reference, Hershey, NY, IGI Global, 2011, 578 p.Дрозд А. В., Харченко В. С., Антощук С. Г., Дрозд Ю. В., Дрозд М. А., Сулима Ю. Ю. Рабочее диагностирование безопасных информационно-управляющих систем / Под ред. А. В. Дрозда и В. С. Харченко. Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т им. Н. Е. Жуковского „ХАИ“, 2012. 614 с.Drozd A.V., Kharchenko V.S., Antoshchuk S.G., Drozd Yu.V., Drozd M.A., Sulima Yu.Yu. Rabochee diagnostirovanie bezopasnykh informatsionno-upravlyayushchikh sistem (Working Diagnosing of Safe Management Information Systems), Khar'kov, 2012, 614 p. (in Russ.)Dubrova E. Fault-Tolerant Design. N. Y.: Springer Science+Business Media. 2013. XV+185. DOI: 10.1007/978-14614-2113-9.Dubrova E. Fault-Tolerant Design, Springer Science+Business Media, NY, 2013, XV+185 p., DOI: 10.1007/978-14614-2113-9.Ярмолик В. Н. Контроль и диагностика вычислительных систем. Минск: Бестпринт, 2019. 387 с.Yarmolik V.N. Kontrol' i diagnostika vychislitel'nykh sistem (Control and Diagnostics of Computer Systems), Minsk, 2019, 387 р. (in Russ.)Mikoni S. Top Level Diagnostic Models of Complex Objects // Lecture Notes in Networks and Systems. 2022. Vol. 442. P. 238—249. DOI: 10.1007/978-3-030-98832-6_21.Mikoni S. Lecture Notes in Networks and Systems, 2022, vol. 442, pp. 238–249, DOI: 10.1007/978-3-030-98832-6_21.Яблонский С. В., Гаврилов Г. П., Кудрявцев В. Б. Математическая логика и основания математики. М.: Наука, 1966. 119 с.Yablonsky S.V., Gavrilov G.P., Kudryavtsev V.B. Matematicheskaya logika i osnovaniya matematiki (Mathematical Logic and Foundations of Mathematics), Moscow, 1966, 119 р. (in Russ.)Reynolds D. A., Meize G. Fault Detection Capabilities of Alternating Logic // IEEE Trans. on Computers. 1978. Vol. C-27, iss. 12. P. 1093—1098. DOI: 10.1109/TC.1978.1675011.Reynolds D.A., Meize G. IEEE Transactions on Computers, 1978, no. 12(C-27), pp. 1093–1098, DOI: 10.1109/TC.1978.1675011.Аксенова Г. П. Восстановление в дублированных устройствах методом инвертирования данных // Автоматика и телемеханика. 1987. № 10. С. 144—153.Aksenova G.P. Avtomatika i Telemekhanika, 1987, no. 10, pp. 144–153. (in Russ.)Гессель М., Мошанин В. И., Сапожников В. В, Сапожников Вл. В. Обнаружение неисправностей в самопроверяемых комбинационных схемах с использованием свойств самодвойственных функций // Автоматика и телемеханика. 1997. № 12. С. 193—200.Hessel M., Moshanin V.I., Sapozhnikov V.V., Sapozhnikov Vl.V. Avtomatika i Telemekhanika, 1997, no. 12, pp. 193–200. (in Russ.)Согомонян Е. С., Слабаков Е. В. Самопроверяемые устройства и отказоустойчивые системы. М.: Радио и связь, 1989. 208 с.Sogomonyan E.S., Slabakov E.V. Samoproveryaemye ustroystva i otkazoustoychivye sistemy (The Self-Checked Devices and Failure-Safe Systems), Moscow, 1989, 208 р. (in Russ.)Nicolaidis M., Zorian Y. On-Line Testing for VLSI – А Compendium of Approaches // Journal of Electronic Testing: Theory and Application. 1998. Vol. 12, iss. 1—2. P. 7—20. DOI: 10.1023/A:1008244815697.Nicolaidis M., Zorian Y. Journal of Electronic Testing: Theory and Application, 1998, no. 1-2(12), pp. 7–20, DOI: 10.1023/A:1008244815697.Lala P. K. Self-Checking and Fault-Tolerant Digital Design. San Francisco: Morgan Kaufmann Publ., 2001. 216 p.Lala P.K. Self-Checking and Fault-Tolerant Digital Design, San Francisco, Morgan Kaufmann Publishers, 2001, 216 p.Tshagharyan G., Harutyunyan G., Shoukourian S., Zorian Y. Experimental Study on Hamming and Hsiao Codes in the Context of Embedded Applications // Proc. of the 15th IEEE East-West Design & Test Symposium (EWDTS’2017), Novi Sad, Serbia, Sept. 29 – Oct. 2, 2017. P. 25—28. DOI: 10.1109/EWDTS.2017.8110065.Tshagharyan G., Harutyunyan G., Shoukourian S., Zorian Y. Proceedings of 15th IEEE East-West Design & Test Symposium (EWDTS’2017), Novi Sad, Serbia, September 29–October 2, 2017, pp. 25–28, DOI: 10.1109/EWDTS.2017.8110065.Saposhnikov Vl. V., Dmitriev A., Goessel M., Saposhnikov V. V. Self-Dual Parity Checking – a New Method for on Line Testing // Proc. of the 14th IEEE VLSI Test Symposium, Princeton, USA, 1996. P. 162—168.Saposhnikov Vl.V., Dmitriev A., Goessel M., Saposhnikov V.V. Proceedings of 14th IEEE VLSI Test Symposium, USA, Princeton, 1996, pp. 162–168.Гессель М., Дмитриев А. В., Сапожников В. В., Сапожников Вл. В. Самотестируемая структура для функционального обнаружения отказов в комбинационных схемах // Автоматика и телемеханика. 1999. № 11. С. 162—174.Gessel M., Dmitriev A.V., Sapozhnikov V.V., Sapozhnikov Vl.V. Automation and Remote Control, 1999, no. 11(60), pp. 1653–1663.Saposhnikov Vl. V., Moshanin V., Saposhnikov V. V., Goessel M. Experimental Results for Self-Dual Multi-Output Combinational Circuits // Journal of Electronic Testing: Theory and Applications. 1999. Vol. 14, iss. 3. P. 295—300. DOI: 10.1023/A:1008370405607.Saposhnikov Vl.V., Moshanin V., Saposhnikov V.V., Goessel M. Journal of Electronic Testing: Theory and Applications, 1999, no. 3(14), pp. 295–300, DOI: 10.1023/A:1008370405607.Гессель М., Дмитриев А. В., Сапожников В. В., Сапожников Вл. В. Обнаружение неисправностей в комбинационных схемах с помощью самодвойственного контроля // Автоматика и телемеханика. 2000. № 7. С. 140—149.Gessel' M., Dmitriev A.V., Sapozhnikov V.V., Sapozhnikov Vl.V. Automation and Remote Control, 2000, no. 7(61), pp. 1192–1200.Сапожников В. В., Сапожников Вл. В., Гессель М. Самодвойственные дискретные устройства. СПб: Энергоатомиздат, 2001. 331 с.Sapozhnikov V.V., Sapozhnikov Vl.V. Gessel M. Samodvoystvennyye diskretnyye ustroystva (Self-Dual Discrete Devices), St. Petersburg, 2001, 331 р. (in Russ.)Сапожников В. В., Сапожников Вл. В., Валиев Р. Ш. Синтез самодвойственных дискретных систем. СПб: Элмор, 2006. 220 с.Sapozhnikov V.V., Sapozhnikov Vl.V., Valiev R.Sh. Sintez samodvoystvennykh diskretnykh sistem (Synthesis of Self-Dual Discrete Systems), St. Petersburg, 2006, 220 р. (in Russ.)Göessel M., Ocheretny V., Sogomonyan E., Marienfeld D. New Methods of Concurrent Checking. Dordrecht: Springer Science+Business Media B.V., 2008. 184 p.Göessel M., Ocheretny V., Sogomonyan E., Marienfeld D. New Methods of Concurrent Checking: Edition 1, Dordrecht, Springer Science+Business Media B.V., 2008, 184 p.Сапожников В. В., Сапожников Вл. В., Ефанов Д. В. Основы теории надежности и технической диагностики. СПб: Изд-во „Лань“, 2019. 588 с.Sapozhnikov V.V., Sapozhnikov Vl.V., Efanov D.V. Osnovy teorii nadezhnosti i tekhnicheskoy diagnostiki (Fundamentals of the Theory of Reliability and Technical Diagnostics), St. Petersburg, 2019, 588 р. (in Russ.)Carter W. C., Duke K. A., Schneider P. R. Self-Checking Error Checker for Two-Rail Coded Data: Pat. 747533, US. Jan. 26, 1971.Pat. US747533, Self-Checking Error Checker for Two-Rail Coded Data, W.C. Carter, K.A. Duke, P.R. Schneider, Priority 25 July 1968, Published 26 Jan. 1971.Сапожников В. В., Сапожников В. В. Самопроверяемые дискретные устройства. СПб: Энергоатомиздат, 1992. 224 с.Sapozhnikov V.V., Sapozhnikov Vl.V. Samoproveryaemye diskretnye ustroystva (The Self-Checked Discrete Devices), St. Petersburg, 1992, 224 p. (in Russ.)Harris D. M., Harris S. L. Digital Design and Computer Architecture. Morgan Kaufmann, 2012. 569 p.Harris D.M., Harris S.L. Digital Design and Computer Architecture, Morgan Kaufmann, 2012, 569 p.Сапожников В. В., Сапожников Вл. В., Ефанов Д. В. Коды Хэмминга в системах функционального контроля логических устройств. СПб: Наука, 2018. 151 с.Sapozhnikov V.V., Sapozhnikov Vl.V., Efanov D.V. Kody Khemminga v sistemakh funktsional'nogo kontrolya logicheskikh (Hamming Codes in Functional Control Systems of Logical), St. Petersburg, 2018, 151 р. (in Russ.)Сапожников В. В., Сапожников Вл. В., Ефанов Д. В. Коды с суммированием для систем технического диагностирования. Т. 1. Классические коды Бергера и их модификации. М.: Наука, 2020. 383 с.Sapozhnikov V.V., Sapozhnikov Vl.V., Efanov D.V. Kody s summirovaniyem dlya sistem tekhnicheskogo diagnostirovaniya. T. 1. Klassicheskiye kody Bergera i ikh modifikatsii (Summed Codes for Technical Diagnostic Systems. Vol. 1. Classical Berger Codes and Their Modifications), Moscow, 2020, 383 р. (in Russ.)Сапожников В. В., Сапожников Вл. В., Ефанов Д. В. Коды с суммированием для систем технического диагностирования. Т. 2. Взвешенные коды с суммированием. М.: Наука, 2021. 455 с.Sapozhnikov V.V., Sapozhnikov Vl.V., Efanov D.V. Kody s summirovaniyem dlya sistem tekhnicheskogo diagnostirovaniya. T. 2. Vzveshennyye kody s summirovaniyem (Summed Codes for Technical Diagnostic Systems. Vol. 2. Weighted Codes with Summation), Moscow, 2021, 455 р. (in Russ.)Сапожников В. В., Сапожников Вл. В., Ефанов Д. В. Классификация ошибок в информационных векторах систематических кодов // Изв. вузов. Приборостроение. 2015. Т. 58, № 5. С. 333—343. DOI: 10.17586/00213454-2015-58-5-333-343.Sapozhnikov V.V., Sapozhnikov Vl.V., Efanov D.V. Journal of Instrument Engineering, 2015, no. 5(58), pp. 333–343, DOI: 10.17586/0021-3454-2015-58-5-333-343. (in Russ.)Гессель М., Морозов А. А., Сапожников В. В., Сапожников Вл. В. Построение комбинационных самопроверяемых устройств с монотонно независимыми выходами // Автоматика и телемеханика. 1994. № 7. С. 148—160.Goessel M., Morozov A.A., Sapozhnikov V.V., Sapozhnikov V.V. Automation and Remote Control, 1994, no. 7(55), pp. 1050–1059.Morosow A., Sapozhnikov V. V., Sapozhnikov Vl. V., Goessel M. Self-Checking Combinational Circuits with Unidirectionally Independent Outputs // VLSI Design. 1998. Vol. 5, iss. 4. P. 333—345. DOI: 10.1155/1998/20389.Morosow A., Sapozhnikov V.V., Sapozhnikov Vl.V., Goessel M. VLSI Design, 1998, no. 4(5), pp. 333–345, DOI: 10.1155/1998/20389.Закревский А. Д., Поттосин Ю. В., Черемисинова Л. Д. Логические основы проектирования дискретных устройств. М.: Физматлит, 2007. 592 с.Zakrevskiy A.D., Pottosin Yu.V., Cheremisinova L.D. Logicheskiye osnovy proyektirovaniya diskretnykh ustroystv (Logical Foundations for the Design of Discrete Devices), Moscow, 2007, 592 р. (in Russ.)Ефанов Д. В., Погодина Т. С. Самодвойственный контроль комбинационных схем с применением кодов Хэмминга // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем (МЭС). 2022. № 3. С. 113—122. DOI: 10.31114/2078-7707-2022-3-113-122.Efanov D.V., Pogodina T.S. Problemy razrabotki perspektivnykh mikro- i nanoelektronnykh sistem (MES) (Problems of Advanced Micro- and Nanoelectronic Systems Development), All-Russia Science & Technology Conference, Moscow, Zelenograd, 2022, no. 3, pp. 113–122, DOI: 10.31114/2078-7707-2022-3-113-122. (in Russ.)Ефанов Д. В., Погодина Т. С. Исследование свойств самодвойственных комбинационных устройств с контролем вычислений на основе кодов Хэмминга // Информатика и автоматизация. 2023. Т. 22, № 2. C. 349—392. DOI: 10.15622/ia.22.2.5.Efanov D.V., Pogodina T.S. Informatics and Automation, 2023, no. 2(22), pp. 349–392, DOI: 10.15622/ia.22.2.5. (in Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.